侯天瑞 魏德洲 張 朔 崔寶玉

(東北大學(xué) 資源與土木工程學(xué)院，沈陽 110000)

水力旋流器具有結(jié)構(gòu)簡單、處理量大、占地面積小、運(yùn)行成本低、分離效率高等優(yōu)點(diǎn)。廣泛應(yīng)用于選礦、石油、環(huán)保等諸多領(lǐng)域。在鞍山式鐵礦選礦廠的二次磨礦—分級作業(yè)中，其水力旋流器的分級效率普遍低于20%。根據(jù)鞍山式鐵礦選礦流程可知，二次磨礦—分級作業(yè)的給礦經(jīng)過了粗細(xì)分級和重選、磁選、篩分等作業(yè)，粒度較粗和較細(xì)的物料基本已被分離出去，因此，二次磨礦分級作業(yè)給礦為典型的窄粒級物料，因現(xiàn)場水力旋流器對其適應(yīng)性較差，進(jìn)而導(dǎo)致二次分級旋流器分級效率較低，有必要對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

水力旋流器的結(jié)構(gòu)參數(shù)對分級結(jié)果有重要影響，改變水力旋流器的結(jié)構(gòu)參數(shù)可優(yōu)化水力旋流器的分離精度，提升分級效率。Krebs gMax旋流器[1，2]采用變錐角設(shè)計(jì)，相比10°錐角旋流器其分級粒度可降低20%。渦狀線進(jìn)料體可以有效減少短路流量，使分割粒徑從12.5 μm減少到8.17 μm，而且陡度指數(shù)從0.33增加到0.47，采用渦狀線進(jìn)料體可以獲得更細(xì)、更高質(zhì)量的產(chǎn)品[3，4]。入料口直徑的最優(yōu)取值范圍為 0.18D≤Di≤0.26D[5，6]。添加合適的中心插入物結(jié)構(gòu)有利于旋流器分級性能的提高[7-10]。張丹等[11]認(rèn)為小錐角旋流器具有更大的分離精度。魏可峰和崔瑞[12-13]等認(rèn)為多錐結(jié)構(gòu)有利于提高旋流器的分級效率。然而，直接改變旋流器的結(jié)構(gòu)參數(shù)，工序較為復(fù)雜，數(shù)值模擬方法以其高效、便捷等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于水力旋流器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究工作中。本文基于數(shù)值模擬方法，系統(tǒng)考察結(jié)構(gòu)參數(shù)對齊大山鐵礦選礦廠二次分級水力旋流器分級性能的影響，通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)改善二次分級效果，并提出適合現(xiàn)場工況的最佳旋流器結(jié)構(gòu)參數(shù)，以提升現(xiàn)場二次分級水力旋流器分級效率。

1 現(xiàn)場現(xiàn)存的問題

對齊大山鐵礦選礦廠磨磁車間二次分級作業(yè)的生產(chǎn)情況進(jìn)行了考察，結(jié)果如表1所示。

表1 樣品分析結(jié)果一覽表

從表1數(shù)據(jù)可知，現(xiàn)場旋流器溢流濃度偏低，最高時(shí)為12.06%，細(xì)度較為正常，沉砂產(chǎn)率較為合理，平均為80.74%，但旋流器的分級效率低下，最高時(shí)僅18.38%，對后續(xù)工藝造成不利影響，需采取措施改善分級效果。

2 數(shù)值模擬試驗(yàn)?zāi)Ｐ徒⑴c可靠性分析

在對現(xiàn)場的二次分級旋流器系統(tǒng)考察的基礎(chǔ)上，建立現(xiàn)場二次分級旋流器數(shù)值模擬試驗(yàn)?zāi)Ｐ停ζ淇煽啃赃M(jìn)行驗(yàn)證。在此基礎(chǔ)上，利用數(shù)值模擬試驗(yàn)方法，系統(tǒng)考察窄粒級給料條件下二次分級旋流器結(jié)構(gòu)參數(shù)與分離性能之間的影響機(jī)制，進(jìn)一步優(yōu)化現(xiàn)場水力旋流器結(jié)構(gòu)參數(shù)，改善現(xiàn)場二次分級效果。

2.1 Φ660水力旋流器模型的建立

齊大山鐵礦選礦廠二次分級旋流器結(jié)構(gòu)參數(shù)和操作參數(shù)如表2所示，其結(jié)構(gòu)尺寸和網(wǎng)格劃分情況如圖1所示。

表2 現(xiàn)場二次分級旋流器應(yīng)用狀況一覽表

圖1 現(xiàn)場水力旋流器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of field hydrocyclone structure

2.2 水力旋流器模型可靠性分析

為了準(zhǔn)確模擬現(xiàn)場旋流器的工作條件，首先對齊大山鐵礦選礦廠二次分級旋流器的工作情況進(jìn)行考察，選取其中一組接近平均值的取樣數(shù)據(jù)作為數(shù)值模擬試驗(yàn)中水力旋流器的初始條件，該樣品的給料粒度組成和金屬分布情況如表3所示。

表3 Φ660水力旋流器給料粒度組成和金屬分布

在數(shù)值模擬試驗(yàn)中，將樣品分成6個(gè)粒級并用相應(yīng)的平均粒度表示，各粒級對應(yīng)的產(chǎn)率和密度均按照表3進(jìn)行設(shè)置。

按照上述的幾何結(jié)構(gòu)和給料粒級密度條件進(jìn)行了數(shù)值模擬試驗(yàn)，然后與現(xiàn)場取樣結(jié)果進(jìn)行了對比，結(jié)果如圖2所示。

圖2 工業(yè)型Φ660水力旋流器數(shù)值模型驗(yàn)證Fig.2 Validation of industrial Φ660 hydrocyclone numerical model

從圖2可以看出，無論是沉砂分配曲線還是最終產(chǎn)品的粒度組成，數(shù)值模擬試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際測量結(jié)果吻合良好，說明當(dāng)前數(shù)值模擬試驗(yàn)?zāi)Ｐ秃拖嚓P(guān)設(shè)置能夠較好預(yù)測工業(yè)型Φ660水力旋流器的分級性能。

3 數(shù)值模擬試驗(yàn)

利用數(shù)值模擬方法，系統(tǒng)研究了不同結(jié)構(gòu)參數(shù)條件下水力旋流器的分級效果，并繪制沉砂粒度分配曲線，通過分析結(jié)構(gòu)參數(shù)與分級性能之間影響規(guī)律，確定最優(yōu)旋流器結(jié)構(gòu)參數(shù)，為工業(yè)試驗(yàn)提供依據(jù)。

3.1 底流口直徑的影響

試驗(yàn)中采用的旋流器結(jié)構(gòu)為溢流口直徑為200 mm、錐角為20°，底流口直徑分別為90、100、110、120、127 mm，研究底流口直徑對沉砂分配率的影響，結(jié)果如圖3所示。

圖3 底流口直徑對沉砂分配率的影響Fig.3 Effects of bottom flow diameter on distributive rate of settling sand

由圖3可知，隨著底流口直徑的增加，各粒級在沉砂中的分配率增加，d50逐漸減小。過大的底流口直徑有助于緩解溢流跑粗現(xiàn)象但會(huì)惡化底流夾細(xì)現(xiàn)象，而過小的底流口直徑則有助于減少底流夾細(xì)但會(huì)增加溢流跑粗，過大和過小的沉砂口直徑均不利于改善水力旋流器分離性能。選定110 mm為新結(jié)構(gòu)旋流器的底流口直徑，此時(shí)d50為36.88 μm。

3.2 溢流口直徑的影響

試驗(yàn)采用的結(jié)構(gòu)參數(shù)條件為底流口直徑為110 mm、錐角為20°，溢流口直徑分別為180、190、200、210、220 mm，研究溢流口直徑對沉砂分配率的影響，結(jié)果如圖4所示。

圖4 溢流口直徑對沉砂分配率的影響Fig.4 Effects of overflow diameter on distributive rate of settling sand

由圖4可知，隨著溢流管直徑的增加，各粒級在沉砂中的分配率降低，d50逐漸增大。溢流管直徑對沉砂分配率的影響明顯小于底流口直徑對其影響，適宜的溢流管直徑有助于減少溢流跑粗控制底流夾細(xì)。選定新結(jié)構(gòu)水力旋流器的溢流口直徑為200 mm。此時(shí)d50為39.18 μm。

3.3 中錐角度的影響

試驗(yàn)采用的結(jié)構(gòu)參數(shù)條件為溢流口直徑200 mm、底流口直徑110 mm、大小錐角20°，中錐錐角為8°、10°、12°、15°、20°。中錐錐角度對沉砂分配率的影響如圖5所示。

圖5 中錐錐角對沉砂分配率的影響Fig.5 Effects of middle cone angle on distributive rate of settling sand

由圖5可知，中錐錐角的減小導(dǎo)致各粒級沉砂分配率的增加，且中錐錐角對粗顆粒的影響明顯大于細(xì)顆粒，適當(dāng)減小中錐錐角有助于在不惡化底流夾細(xì)的同時(shí)緩解溢流跑粗現(xiàn)象。隨著中錐錐角的減小，d50逐漸減低，但變化幅度較小，這也進(jìn)一步說明適當(dāng)減小中錐錐角并不會(huì)惡化底流夾細(xì)現(xiàn)象。選定12°作為新結(jié)構(gòu)水力旋流器的中錐錐角度數(shù)。此時(shí)d50為35.16 μm。

3.4 小錐角度的影響

試驗(yàn)采用的水力旋流器結(jié)構(gòu)參數(shù)為：溢流口直徑200 mm、底流口直徑110 mm、大錐錐角20°、中錐錐角12°，小錐錐角分別為10°、20°、30°、40°、60°，模擬結(jié)果如圖6所示。

圖6 小錐錐角對沉砂分配率的影響Fig.6 Effects of small cone angle on distributive rate of settling sand

圖6結(jié)果表明，過小的小錐錐角會(huì)嚴(yán)重惡化底流夾細(xì)現(xiàn)象，不利于改善水力旋流器分離性能。隨著小錐錐角的增加，粗顆粒在沉砂中的分配率逐漸降低，而細(xì)顆粒在沉砂中的分配率變化并不明顯，過大的小錐錐角不利于緩解溢流跑粗現(xiàn)象。選定20°為新結(jié)構(gòu)水力旋流器的小錐錐角度數(shù)。此時(shí)d50為35.54 μm。

3.5 進(jìn)料體結(jié)構(gòu)的影響

進(jìn)料體結(jié)構(gòu)試驗(yàn)采用的參數(shù)為：現(xiàn)場水力旋流器溢流口直徑200 mm、錐角20°、底流口直徑127 mm；漸開線水力旋流器溢流口直徑200 mm、大錐錐角20°、中錐錐角10°、小錐錐角20°、底流口直徑110 mm；螺旋線水力旋流器溢流口直徑200 mm、大錐錐角20°、中錐錐角10°、小錐錐角20°、底流口直徑110 mm。不同進(jìn)料體結(jié)構(gòu)對沉砂分配率的影響如圖7所示。

由圖7可知，螺旋線進(jìn)料體和漸開線進(jìn)料體比現(xiàn)場常規(guī)進(jìn)料體的細(xì)粒級沉砂分配率低，這說明螺旋線進(jìn)料體與漸開線進(jìn)料體都對底流夾細(xì)有一定程度的抑制作用，選定螺旋線進(jìn)料體作為結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方向，此時(shí)d50為33.36 μm。

圖7 不同進(jìn)料體對沉砂分配率的影響Fig.7 Effects of different feed materials on distributive rate of settling sand

4 工業(yè)試驗(yàn)

在數(shù)值模擬試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，確定新結(jié)構(gòu)旋流器的結(jié)構(gòu)參數(shù)：進(jìn)料體為螺旋線進(jìn)料體，底流口直徑為110 mm，溢流口直徑為200 mm，中錐錐角為12°，小錐錐角為20°。在相同操作條件下，分別對新結(jié)構(gòu)旋流器和現(xiàn)有旋流器的生產(chǎn)情況進(jìn)行了考查，結(jié)果如表4所示。

由表4數(shù)據(jù)可知，試驗(yàn)旋流器分級效率平均較現(xiàn)場旋流器高7.37個(gè)百分點(diǎn)，沉砂濃度平均為75.2%。新結(jié)構(gòu)水力旋流器在明顯提升分級效率的同時(shí)保證沉砂濃度高于75%。與現(xiàn)場原有旋流器相比，新結(jié)構(gòu)水力旋流器能夠更好地處理窄粒級給礦。

表4 工業(yè)試驗(yàn)結(jié)果一覽表

5 結(jié)論

1)數(shù)值模擬結(jié)果與齊大山鐵礦選礦廠二次分級旋流器的工況實(shí)際測量結(jié)果吻合良好，模擬結(jié)果能夠準(zhǔn)確地指導(dǎo)旋流器結(jié)構(gòu)優(yōu)化工作。

2)與常規(guī)進(jìn)料體結(jié)構(gòu)相比，漸開線進(jìn)料體和螺旋線進(jìn)料體結(jié)構(gòu)更適合用于處理窄粒級給礦條件下的水力旋流器，能有效抑制底流夾細(xì)，提高分級效率。

3)通過優(yōu)化旋流器結(jié)構(gòu)，調(diào)整后旋流器中錐錐角為12°、小錐錐角為20°、螺旋線進(jìn)料體、底流口直徑110 mm、溢流口直徑200 mm，新結(jié)構(gòu)旋流器分級效率較現(xiàn)場旋流器分級效率提高7.37個(gè)百分點(diǎn)，可更好地適應(yīng)窄粒級給礦。

4)旋流器的底流口直徑、溢流口直徑、中錐角度、小錐角度、漸開線與螺旋線進(jìn)料體等，都對旋流器的分離精度具有重要影響，利用數(shù)值模擬方法可以輔助完成對旋流器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化從而提高旋流器的分級效率，結(jié)果可為解決現(xiàn)場的實(shí)際問題提供技術(shù)方案。